第11章 敏感陶瓷

1、1第第1111章章 精精 细细 功功 能能 陶陶 瓷瓷一、功能陶瓷概述一、功能陶瓷概述1 1、与传统陶瓷的区别、与传统陶瓷的区别（1 1）原料许多是经过人工合成或者精制，不受天然条件）原料许多是经过人工合成或者精制，不受天然条件的限制；的限制；（2 2）突破传统陶瓷的化学成分限制，用多种金属氧化物）突破传统陶瓷的化学成分限制，用多种金属氧化物、氮化物、碳化物、磷化物等，有时直接用金属元素和、氮化物、碳化物、磷化物等，有时直接用金属元素和碳、硅等非金属元素。碳、硅等非金属元素。(3) (3) 制备工艺更加先进。制备工艺更加先进。2 与传统陶瓷相比，功能陶瓷具备了一些特殊性能与传统陶瓷相比，功能陶

2、瓷具备了一些特殊性能( (热、机械、化学、电磁、光热、机械、化学、电磁、光) )。电电 子子 陶陶 瓷瓷生生 物物 陶陶 瓷瓷敏敏 感感 陶陶 瓷瓷磁磁 性性 陶陶 瓷瓷超超 导导 陶陶 瓷瓷光光 学学 陶陶 瓷瓷 其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等。适应性等。 3电介质功能材料电介质功能材料介电材料介电材料铁电材料铁电材料压电材料压电材料敏感电介质材料敏感电介质材料电电功功能能材材料料电导体功能材料电导体功能材料导电材料导电材料快离子导

3、体快离子导体电阻材料电阻材料超导电体超导电体41导电性导电性 材料的导电性以其电导率来度量，材料的导电性以其电导率来度量，表明材料表明材料在电场中传递电荷的能力在电场中传递电荷的能力。载流子数目。载流子数目n、每个载、每个载流子的电荷流子的电荷q以及载流子的迁移率以及载流子的迁移率 ，决定了材料，决定了材料的电导率的电导率 或电阻率或电阻率 。 qn15 在材料中，产生电流的载流子有四种类型，即在材料中，产生电流的载流子有四种类型，即电子、空穴电子、空穴、正离子和负离子、正离子和负离子。若载流子是电子或空穴，则材料的电导为。若载流子是电子或空穴，则材料的电导为电子电导电子电导；若载流子是离子或

4、空格点，则称为；若载流子是离子或空格点，则称为离子电导离子电导。 电子导电电子导电材料按其导电能力可分为四大类：材料按其导电能力可分为四大类：（1）超导体超导体， 电阻率电阻率0，（2）导体导体， ； 金属及部分陶瓷和高金属及部分陶瓷和高分子材料分子材料（3）半导体半导体， ；（4）绝缘体绝缘体， ， 普通陶瓷与大部分高普通陶瓷与大部分高分子材料分子材料这四类材料除了电阻率的区别外，能带结构及导电机理也这四类材料除了电阻率的区别外，能带结构及导电机理也不相同。不相同。m101058m101074m10102076 金属的电导率随温度的升高而降低，半导体、金属的电导率随温度的升高而降低，半导体、

5、绝缘体及离子材料的电导率则随温度升高而增大。绝缘体及离子材料的电导率则随温度升高而增大。 杂质原子使纯金属的电导率下降，这是由于溶质杂质原子使纯金属的电导率下降，这是由于溶质原子在固溶体内造成不规则的势场变化，影响自由原子在固溶体内造成不规则的势场变化，影响自由电子的运动。电子的运动。 陶瓷材料中溶入杂质原子后，常常会使其导电性陶瓷材料中溶入杂质原子后，常常会使其导电性能提高。适当形式的晶体缺陷，对改善陶瓷材料的能提高。适当形式的晶体缺陷，对改善陶瓷材料的导电性有重要意义。导电性有重要意义。72介电性介电性 什么叫电介质？什么叫电介质？ 电介质是电阻率高于电介质是电阻率高于108m的材料，能的

6、材料，能耐较高电压而不被击穿。电介质是以耐较高电压而不被击穿。电介质是以极化方式传递电极化方式传递电的物的物质，主要是绝缘体，半导体纯硅、纯锗也属于电介质。质，主要是绝缘体，半导体纯硅、纯锗也属于电介质。若两若两电电板间无任何物质，则每板上的电荷密度板间无任何物质，则每板上的电荷密度D0与电场与电场E成比例。如果在两电板间有材料成比例。如果在两电板间有材料m（即称电介质），其（即称电介质），其电荷密度可能由电荷密度可能由D0增到增到Dm，比率，比率Dm/D0即为材料的相对即为材料的相对介电常数，即介电常数，即0/ DDmr 相对介电常数总是大于相对介电常数总是大于1.01.0。因为在电场中，。

7、因为在电场中，材料内部的电子或正负离子发生了位移。材料内部的电子或正负离子发生了位移。 81 1 极化极化 polarizationpolarization 在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为者极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化电介质的极化。2 2 自发极化自发极化 spontaneous polarizationspontaneous polarization 在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为有序排列而产生的极化，

8、称为自发极化自发极化。在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷量称为荷量称为自发极化强度自发极化强度。单位面积的极化电荷量称为单位面积的极化电荷量称为极化强度极化强度，它是一个矢，它是一个矢量，用量，用P P表示，其单位为表示，其单位为C/mC/m2 2。3 3 介电常数介电常数 dielectric constantdielectric constant表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常介电常数数，用，用表示，无量纲。表示，无量纲。91011 不同材料及不同温度下的介电常数差别很大。不同材料及不

9、同温度下的介电常数差别很大。Al2O3、AIN陶瓷的室温介电常数小于陶瓷的室温介电常数小于10，BaTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3等铁电陶瓷的室温介电常数为等铁电陶瓷的室温介电常数为几百至几千，通过调整材料组成，甚至可达几百至几千，通过调整材料组成，甚至可达1000020000。 利用各种材料不同的介电常数及其温度特性，利用各种材料不同的介电常数及其温度特性，就可以制作不同性能规格的电容器或其他元件。就可以制作不同性能规格的电容器或其他元件。应用分为两种：电绝缘陶瓷和电容器陶瓷。应用分为两种：电绝缘陶瓷和电容器陶瓷。11.2.2 介电陶瓷材料介电陶瓷材料121、电绝缘陶瓷、电绝缘陶

10、瓷主要用于电子设备中安装、固定、支主要用于电子设备中安装、固定、支撑、保护、绝缘、隔离以及连接各种无线撑、保护、绝缘、隔离以及连接各种无线电零件和器件。（高频绝缘子、插座、瓷电零件和器件。（高频绝缘子、插座、瓷管基板、瓷环等）。管基板、瓷环等）。 13 半导体元件和电路对材半导体元件和电路对材料的要求：高性能、小体积料的要求：高性能、小体积；导热率大、密度高、容易；导热率大、密度高、容易小型化。小型化。 14SiC、BN和和AlN（碳化硅、立方氮化硼和氮化铝）也（碳化硅、立方氮化硼和氮化铝）也属于导热率高，散热快的材料。属于导热率高，散热快的材料。 SiCSiC的晶体结构和金刚石相似，其中的晶

11、体结构和金刚石相似，其中部分硅代替了部分碳的位置。部分硅代替了部分碳的位置。 这种结构强固、致密，机械强这种结构强固、致密，机械强度高，适宜用作电子线路的基板。度高，适宜用作电子线路的基板。 15 2、电容器陶瓷、电容器陶瓷 电容器的性能要求电容器的性能要求：耐较高电压，不易被击穿，介电常数高：耐较高电压，不易被击穿，介电常数高因此体积可以做得很小。因此体积可以做得很小。 ，高频下可靠地工作。，高频下可靠地工作。电容器的介电材料电容器的介电材料：金红石（：金红石（TiO2），钛酸酸钙（），钛酸酸钙（CaTiO3，加，加少量少量ZrO2），钛酸镁（），钛酸镁（MgTiO3）可用于高频。可用于高频

12、。 2MgOSiO2、Al2O3、BaTi4O9、(Zr，Sn，Ti)O2可用于集可用于集成电路基片、元件成电路基片、元件 介电常数达到介电常数达到10105 5的电容器陶瓷，可以使电容器微的电容器陶瓷，可以使电容器微型化。型化。 16171 1、 电畴电畴 ferroelectric domain铁电体内永久偶极子自发极化成相同方向的小区域称铁电体内永久偶极子自发极化成相同方向的小区域称为为电畴电畴，10m10m；电畴与电畴之间的交界称为；电畴与电畴之间的交界称为畴壁畴壁两种：两种：9090畴壁和畴壁和180180畴壁畴壁182 2、 电滞回线电滞回线 hysteresis loop 在强电

13、场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体在强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为或使单畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转畴的反转。Ps：饱和极化强度：饱和极化强度Pr：剩余极化强度：剩余极化强度ABCBDFGHKC变化过程：变化过程：Ec：矫顽电场强度：矫顽电场强度1920随着科学技术的发展，在随着科学技术的发展，在工业生产领工业生产领域域、科学研究领域科学研究领域和人们的日常生活中，和人们的日常生活中，需要需要迅速增加。迅速增加。有赖于有赖于传感器传感器，或称，或称敏感元件敏感元件。在各种类型的敏感元件中，在各种类型的敏感元件中，占有十分

14、重要的地位。占有十分重要的地位。 21用于制造用于制造，是根据某，是根据某些陶瓷的些陶瓷的、等物理量对等物理量对、及某种及某种气体气体、某种、某种离子离子的变化特别的变化特别敏感的特性而制得的。敏感的特性而制得的。按其按其相应的特性相应的特性，可把这些材料分别称，可把这些材料分别称作作、及及。22此外，还有具有此外，还有具有的的压力压力、位置位置、速度速度、声波声波等敏感陶瓷，具有铁氧体性质的等敏感陶瓷，具有铁氧体性质的及具有多种敏感特性的及具有多种敏感特性的等。等。这些这些已广泛应用于已广泛应用于工业检测工业检测、控制仪器控制仪器、交通运输系统交通运输系统、汽车、机器人、汽车、机器人、防止公

15、害、防灾、公安及家用电器等领域。防止公害、防灾、公安及家用电器等领域。 23物理敏感陶瓷：物理敏感陶瓷：，如，如CdS、CdSe等；等；，如，如PTC陶瓷、陶瓷、NTC和和CTR热敏陶瓷等；热敏陶瓷等；，如，如InSb、InAs、GaAs等；等；24，如罗息盐、水晶、，如罗息盐、水晶、BaTiO3、PZT等；等；，如，如ZnO、SiC等；等；，如，如PbTiO3、PZT等。等。25化学敏感陶瓷化学敏感陶瓷，如，如SnO2、ZnO、ZrO2等；等；，TiO2MgCr2O4、ZnO-Li2O-V2O5等。等。 气敏陶瓷，气敏陶瓷， SnO2、ZnO、Fe2O3等等；也在积极开发之中。也在积极开发之

16、中。 26是由是由晶粒、晶界、气孔晶粒、晶界、气孔组成的多相组成的多相系统，通过人为的掺杂，可以造成晶粒表系统，通过人为的掺杂，可以造成晶粒表面的面的，在晶粒表层产生，在晶粒表层产生、及及等。等。 27另外，在晶界另外，在晶界 处也会产生处也会产生、及及等。等。这些这些的组成、结构变化，的组成、结构变化，显著改变了显著改变了晶界的电性能晶界的电性能，从而导致整个，从而导致整个陶瓷陶瓷电学性能电学性能的显著变化。的显著变化。28是一类是一类、等性质随等性质随发生发生明显变化明显变化的材料，主要用的材料，主要用于制造于制造、及及-(thermistor)。具有具有灵敏度高灵敏度高、稳定性好稳定性好

17、、制制造工艺简单造工艺简单及及价格便宜价格便宜等特点。等特点。29热敏电阻热敏电阻称为称为，简称，简称PTC热敏热敏电阻电阻( positive temperature coefficient )；30的热敏电阻的热敏电阻称为称为，简称，简称NTC热敏电热敏电阻阻( negative temperature coefficient )；热敏电阻，简称为热敏电阻，简称为CTR( critical temperature resistor )。 31PTC陶瓷陶瓷BaTiO3 BaTiO3陶瓷是否具有陶瓷是否具有PTC效应，来源于效应，来源于多晶半导体多晶半导体。纯纯BaTiO3具有具有，常温下电

18、子常温下电子激发很少激发很少，其，其室温下的电阻率室温下的电阻率为为1012cm，已接近绝缘体，不具有已接近绝缘体，不具有PTC电阻特性。电阻特性。32将将BaTiO3的电阻率降到的电阻率降到104cm以下，以下，使其使其成为半导体的过程成为半导体的过程称为称为。即在其禁带中引入一些即在其禁带中引入一些：施主能级或受主能级。：施主能级或受主能级。33通常情况下，通常情况下，多数是靠近导带多数是靠近导带底的；而底的；而多数是靠近价带顶的。多数是靠近价带顶的。施主能级或受主能级的施主能级或受主能级的一般比较一般比较小，因此，在室温下就可小，因此，在室温下就可产生产生，从而形成半导体。，从而形成半导

19、体。34形成形成主要通过两种途径：主要通过两种途径：和和，使得，使得具有具有优良优良的导电性的导电性，而，而具有具有高的势垒层高的势垒层，形成，形成绝缘体。绝缘体。 35BaTiO3的的半导化半导化采用采用在在真空、惰性气体或还原性气体真空、惰性气体或还原性气体中加热中加热BaTiO3。由于由于失氧失氧，BaTiO3内产生内产生氧缺位氧缺位，为，为了了保持电中性保持电中性，部分，部分Ti4+将俘获电子成为将俘获电子成为Ti3+。在强制还原以后，需要在强制还原以后，需要在氧化气氛下在氧化气氛下重新热处理，才能得到较好的重新热处理，才能得到较好的PTC特性，特性，电阻率为电阻率为1-103cm。

20、36采用采用使使BaTiO3半导化的方法之一是半导化的方法之一是，该法也称，该法也称。如果用离子半径与如果用离子半径与Ba2+相近的三价离子相近的三价离子(如如La3+、Ce3+、Nd3+、Ga3+、Sm3+、Dy3+、Y3+、Bi3+、Sb3+等等)置换置换Ba2+，或者用离子半径与或者用离子半径与Ti4+相近的五价离子相近的五价离子(如如Ta5+、Nb5+、Sb5+等等)置置换换Ti4+，采用采用普通陶瓷工艺普通陶瓷工艺，即能获得电阻率，即能获得电阻率为为103-105cm的的n型型BaTiO3半导体。半导体。37五价离子五价离子对对BaTiO3的电阻率的电阻率影响很大。影响很大。一般情况

21、下，电阻率一般情况下，电阻率，达到某一浓度时达到某一浓度时，电阻率降至最低，电阻率降至最低值，值，继续增加浓度继续增加浓度，电阻率则迅速提高，甚，电阻率则迅速提高，甚至变成绝缘体。至变成绝缘体。38 BaTiO3的电阻率降至最低点的的电阻率降至最低点的(质量分数质量分数)为：为：Nd 0.05，Ce、La、Nb 0.20.3，Y 0.35 39采用采用使使BaTiO3半导化半导化的方法之二的方法之二是是， 以， 以 S i O2或或 A S T ( 1/3A12O3 3/4SiO21/4TiO2 )对对BaTiO3进进行掺杂，行掺杂，AST加入量加入量3(摩尔分数摩尔分数)于于1260 -13

22、80烧成后，电阻率为烧成后，电阻率为40-100cm。40典型的典型的PTC如下：如下： 主成分主成分：( Ba0.93Pb0.03Ca0.04 )TiO3 + 0.0011Nb2O5 + 0.01TiO2(先预烧先预烧)； 辅助成分辅助成分摩尔分数：摩尔分数：Sb2O3 0.06，MnO2 0.04，SiO2 0.5，A12O3 0.167，Li2CO3 0.1。 41一般陶瓷材料都有一般陶瓷材料都有，但，但温度系数的绝对值小，稳定性差，不能应用温度系数的绝对值小，稳定性差，不能应用于高温和低温场合。于高温和低温场合。是用特定组分合成是用特定组分合成，其电阻率随温度升高按指数关系减小的一类其

23、电阻率随温度升高按指数关系减小的一类材料，分材料，分三大类。三大类。42绝大多数是具有绝大多数是具有的过渡金属固熔体。的过渡金属固熔体。其中，其中，主要有：主要有：Cu-Mn、Co-Mn、Ni-Mn等系。等系。43其中，其中，最有实用意义的最有实用意义的为为Co-Mn系材料系材料。它在。它在20时的电阻率为时的电阻率为103cm，主晶相为主晶相为MnCo2O4。随着随着Mn含量的增大含量的增大，则形成，则形成MnCo2O4和和MnCo2O4的固溶体，电阻的固溶体，电阻率逐渐增大。率逐渐增大。44有：有：Mn-Co-Ni、Mn-Cu-Ni、Mn-Cu-Co等等和和Cu-Fe-Ni、Cu-Fe-C

24、o等等。在在中，随着中，随着Mn含量的含量的增大，电阻率增大。增大，电阻率增大。此外，还有此外，还有Cu-Fe-Ni，CO四元系等。四元系等。 45工作温度工作温度的热敏电阻的热敏电阻(NTC)常称为常称为。有广泛的应用前景，尤其有广泛的应用前景，尤其在在汽车空气燃料比汽车空气燃料比传感器方面，有很大的传感器方面，有很大的实用价值。实用价值。46其中，主要使用的两种其中，主要使用的两种为：为： (1) Pr、Er、Tb、Nd、Sm等氧化物，加入等氧化物，加入适量适量其他过渡金属氧化物其他过渡金属氧化物，在，在 烧结后，可在烧结后，可在 工作。工作。47(2)MgAl2O4-MgCr2O4-La

25、CrO3或或(LaSr)CrO3 三元系材料三元系材料 该系材料适用于该系材料适用于温区。温区。48工作温度在工作温度在的热敏电阻材料的热敏电阻材料(NTC)称为称为。以以为为主，加入主，加入La、Nd、Pd等的氧化物。等的氧化物。主要材料有主要材料有Mn-Ni-Fe-Cu、Mn-Cu-Co、Mn-Ni-Cu等。等。 49主要是指主要是指的半导体陶瓷，的半导体陶瓷，在在68附近附近达到达到3-4个数量级，具有个数量级，具有, 因此称为因此称为或或。50这种这种具有具有和和，故可作，故可作或或。这一这一特定温度特定温度称称。电阻值的急剧变化，通常是电阻值的急剧变化，通常是随温度的升随温度的升高高

26、，在临界温度附近在临界温度附近，。51V是是，它有，它有5价、价、4价等多种价价等多种价态，因此，态，因此，V系有多种氧化物，如系有多种氧化物，如V2O5、VO2、V2O3、VO等。等。这些氧化物各有这些氧化物各有。每种。每种V系氧化物与系氧化物与B、Si、P、Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、La、Ag等氧化物形成等氧化物形成，可上，可上、下移动其临界温度。、下移动其临界温度。 52热敏电阻在热敏电阻在中的应用最广中的应用最广，它虽不适于，它虽不适于高精度的测量高精度的测量，但其，但其价格低价格低廉廉，多用于，多用于等。等。53有两种用途：有两种用途：一是用于一是用于，PTC热敏电阻通过热敏电阻

27、通过自身发热而工作，达到设定温度后，便自动恒自身发热而工作，达到设定温度后，便自动恒温，因此不需另加控制电路，如用于温，因此不需另加控制电路，如用于、等。等。54发热电器的恒温控制：发热电器的恒温控制：刚通电时，刚通电时，PTC元件的电阻小，电流大，快速升温。元件的电阻小，电流大，快速升温。温度超过居里点后，电阻陡然增大，类似于关闭电源；温度超过居里点后，电阻陡然增大，类似于关闭电源；当温度下降后，当温度下降后，PTC电阻下降电阻下降 自动恒温。自动恒温。PTC热敏电阻既是加热器又是传感器，起到感温和控温热敏电阻既是加热器又是传感器，起到感温和控温的两种作用。的两种作用。 陶瓷暖风机陶瓷暖风机

28、 居里温度居里温度开关电阻开关电阻 工作范围工作范围PTC热敏电阻热敏电阻电蚊香电蚊香 55电冰箱的电冰箱的控制器控制器 电压力锅电压力锅 电脑型微波炉电脑型微波炉 电脑型电饭锅电脑型电饭锅 二、热敏电阻用于测量二、热敏电阻用于测量- -自控自控56普通电饭锅普通电饭锅 智能电饭锅智能电饭锅 单片机单片机 传感器传感器控制程序控制程序 普通高压锅普通高压锅 智能压力锅智能压力锅 传感器传感器单片机单片机57三是用作三是用作，如，如彩电消磁器彩电消磁器、冰箱电机启动器冰箱电机启动器、程控电话保安器程控电话保安器等。等。58电流电流 浪涌电流浪涌电流产生浪涌电流的原因：产生浪涌电流的原因：灯丝的冷

29、电阻很小，当灯丝的冷电阻很小，当电压瞬间升高时，灯丝的电压瞬间升高时，灯丝的升温需要有一个过程，在升温需要有一个过程，在这一瞬间通过灯丝的电流这一瞬间通过灯丝的电流很大，这就是浪涌电流；很大，这就是浪涌电流；随即灯丝温度急剧上升，随即灯丝温度急剧上升，电阻增大，电流也相应回电阻增大，电流也相应回落。落。浪涌电流对电灯有害。浪涌电流对电灯有害。电压电压 小灯小灯缓慢缓慢点亮点亮瞬间瞬间测量小灯点测量小灯点亮过程中的电亮过程中的电压和电流变化压和电流变化59电 视 机 接 通 电 源 的 瞬 间 ，电 视 机 接 通 电 源 的 瞬 间 ，PTC（正温度系数）（正温度系数）热敏电阻的热敏电阻的电阻

30、值很小，通过消磁线圈的大电阻值很小，通过消磁线圈的大电流电流（浪涌电流）（浪涌电流）产生足够大的交产生足够大的交变磁场进行消磁。变磁场进行消磁。同时，由于电流很大，同时，由于电流很大，PTC元件自身发热，使其电阻迅速增元件自身发热，使其电阻迅速增大，从而使电流逐渐减小（接近大，从而使电流逐渐减小（接近于零），其线圈产生的磁场也迅于零），其线圈产生的磁场也迅速从强到弱，最终达到消磁目的。速从强到弱，最终达到消磁目的。 220V t消磁线圈消磁线圈 PTC 浪涌电流的浪涌电流的利用利用彩电的消磁彩电的消磁60将将NTC热敏电阻串联在电路中。热敏电阻串联在电路中。电源接通的瞬间，电源接通的瞬间，NT

31、C的电阻值很的电阻值很大，从而抑制浪涌电流。此后，由大，从而抑制浪涌电流。此后，由于电流的热效应使于电流的热效应使NTC的温度升高，的温度升高，其电阻值下降，不会影响电路的正其电阻值下降，不会影响电路的正常运行。常运行。NTC 热敏电阻热敏电阻61在现代社会，人们在现代社会，人们在生活和工作中在生活和工作中使用使用和接触的和接触的越来越多，其中某些越来越多，其中某些易燃、易易燃、易爆、有毒气体爆、有毒气体及其及其混合物混合物一旦泄露到大气中一旦泄露到大气中，会造成，会造成大气污染大气污染，甚至引起，甚至引起爆炸和火灾爆炸和火灾。62是一种是一种陶瓷材陶瓷材料，料，(或称或称)由由于其具有于其具

32、有灵敏度高灵敏度高、性能稳定性能稳定、结构简单结构简单、体积小体积小、价格低廉价格低廉、使用方便使用方便等优点，等优点，得到迅速发展。得到迅速发展。 63气敏陶瓷大致可分为气敏陶瓷大致可分为、及及三种：三种：64 按照按照来分类，如来分类，如SnO2型、型、ZnO型、型、 -Fe2O3型、型、 -Fe2O3型、钙钛矿化合型、钙钛矿化合物型、物型、TiO2型等。型等。65是一类介于是一类介于的奇特固体的奇特固体材料，其材料，其主要特征主要特征是它的是它的，如，如ZrO2氧敏陶瓷氧敏陶瓷，K2SO4、Na2SO4等碱金属硫酸盐等。等碱金属硫酸盐等。66用用作母线，表面用作母线，表面用陶瓷涂层陶瓷涂

33、层、触媒材料触媒材料、防晶粒生长材料防晶粒生长材料以及以及防触媒中防触媒中毒材料毒材料等涂层所制成。等涂层所制成。 67吸附气体分子时吸附气体分子时，半导体的，半导体的将随将随半导体类型半导体类型和和气体分子种类气体分子种类的的不同而变化。不同而变化。68吸附气体一般分为物理吸附和化学吸附吸附气体一般分为物理吸附和化学吸附两大类。被吸附的气体一般也可分为两类。两大类。被吸附的气体一般也可分为两类。具有具有称为称为氧化性氧化性(或电子受容性或电子受容性)气体气体，如，如O2、NOx等。等。具有具有称为称为还原性还原性(或电子供出性或电子供出性)气体气体，如，如H2、CO、乙醇等。乙醇等。6970

34、SnO2系气敏陶瓷是系气敏陶瓷是，是，是以以SnO2为基材为基材，加入催化剂、黏结加入催化剂、黏结剂等剂等，按照，按照常规的陶瓷工艺方法常规的陶瓷工艺方法制成的。制成的。 71 以以为基为基本原料，本原料，粉料越细粉料越细，比表面积越大比表面积越大，对，对被测气体越敏感被测气体越敏感。制造制造的方法有的方法有、及及等。等。72所用所用多为多为，它们有不同的作用，主要是，它们有不同的作用，主要是Sb2O3、V2O5、MgO、PbO、CaO等。等。73SnO2系气敏陶瓷制造的气敏元件有如下特点：系气敏陶瓷制造的气敏元件有如下特点：，出现，出现最高灵敏度的温度较低最高灵敏度的温度较低，约在约在300

35、；，在，在低浓度范围，这种变化十分明显，非常适用低浓度范围，这种变化十分明显，非常适用于于对低浓度气体的检测对低浓度气体的检测；74，而且，而且；，待测气体，待测气体可通过可通过气敏元件电阻值的变化气敏元件电阻值的变化直接转化为直接转化为信号，且阻值变化大，可用信号，且阻值变化大，可用简单电路简单电路实现实现自动测量；自动测量；75，；，和和。 76利用利用吸附还原气体时吸附还原气体时来检测还原气体来检测还原气体，已广泛应用于，已广泛应用于家用家用、生产用、生产用和和等。等。77对对特别敏特别敏感，广泛用于感，广泛用于CO报警报警和和工作环境的空气工作环境的空气监测监测等。等。78已进入已进入

36、对于对于可燃性气体可燃性气体，例如，例如H2、CO、甲烷、丙烷甲烷、丙烷、乙醇、酮或芳香族气体等，具有、乙醇、酮或芳香族气体等，具有，因而，因而SnO2气敏元件气敏元件。 7980氧化锌系气敏陶瓷元件最突出的优点氧化锌系气敏陶瓷元件最突出的优点是是，一般加入适量的，一般加入适量的来来提高陶瓷元件的灵敏度提高陶瓷元件的灵敏度。81对异丁烷、丙烷、乙对异丁烷、丙烷、乙烷等烷等有较高灵敏度有较高灵敏度，碳氢化合，碳氢化合物中物中。82的的氧化锌气敏陶瓷元件氧化锌气敏陶瓷元件对对H2、CO灵敏度灵敏度较高，对较高，对碳氢化合物灵敏度碳氢化合物灵敏度较差。较差。的的氧化锌气敏陶瓷元件氧化锌气敏陶瓷元件对

37、对乙醇、乙醇、苯和煤气苯和煤气较灵敏，且成本也较低。较灵敏，且成本也较低。83的结构与二氧化锡的结构与二氧化锡的不同，可以把它做成的不同，可以把它做成，将，将半导体元件半导体元件与催化物与催化物分离，这样可以分离，这样可以更换催化剂更换催化剂来来提高提高元件的气体选择性元件的气体选择性，其缺点是，其缺点是。 84常见的铁的氧化物有常见的铁的氧化物有：FeO、Fe2O3和和Fe3O4；85其中，其中，Fe2O3有有： Fe2O3和和 Fe2O3均被发现具有均被发现具有。 Fe2O3具有具有结构。从结构。从热稳热稳定性定性来看来看 Fe2O3较优，但从较优，但从灵敏度灵敏度而言则而言则比比 Fe2

38、O3差。差。86最大的特点最大的特点是是也能得到也能得到较高的催化性较高的催化性，高高温下热稳定性好温下热稳定性好。 Fe2O3对对丙烷气体丙烷气体较灵敏，但对较灵敏，但对甲烷甲烷就不灵敏。就不灵敏。87 Fe2O3的的好，对好，对甲烷乃至甲烷乃至异丁烷异丁烷都非常灵敏，对都非常灵敏，对水蒸气和乙醇水蒸气和乙醇等却不等却不灵敏。灵敏。 Fe2O3作作非常非常合适。因它对合适。因它对水蒸气和乙醇水蒸气和乙醇等不灵敏，故不等不灵敏，故不会因会因水蒸气及酒精的存在水蒸气及酒精的存在而误报。而误报。 88，通常是指，通常是指空气中水蒸气的含量空气中水蒸气的含量。湿度与人类的日常生活和生产活动有着湿度与

39、人类的日常生活和生产活动有着十分密切的关系，因此需要随时监测空气湿十分密切的关系，因此需要随时监测空气湿度。度。可将可将湿度的变化湿度的变化以以输出，易于实现输出，易于实现远距离监测远距离监测、记录和、记录和反馈的自动控制。反馈的自动控制。 89以湿敏材料制造的以湿敏材料制造的配以配以即成为即成为。根据湿敏材料的根据湿敏材料的性能性能及其及其使用功能使用功能可分为以下四类：可分为以下四类：90，如，如LiCl电解质型。电解质型。，有电解质型，有电解质型(离子离子交换树脂交换树脂)、膨润型、电容型。、膨润型、电容型。，有电容型、电阻，有电容型、电阻型、阻抗型。型、阻抗型。，如半导体硅材料。，如半

40、导体硅材料。其中，最常用的为其中，最常用的为湿湿敏电阻型。敏电阻型。91湿敏陶瓷材料湿敏陶瓷材料种类种类繁多，繁多，化学组成化学组成复复杂。杂。按按可将可将湿敏半导体陶瓷湿敏半导体陶瓷分为分为、和和。 92MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷是系湿敏陶瓷是多孔湿敏陶瓷多孔湿敏陶瓷结构，结构，达达30-40，具有，具有良好的透湿性能良好的透湿性能。MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷的系湿敏陶瓷的可采可采用用传统陶瓷的制造方法传统陶瓷的制造方法，但原料必须采用化学，但原料必须采用化学纯或分析纯级。纯或分析纯级。93MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷的制造工艺系湿敏陶瓷的制造工艺流程如下：流程如下：M

41、gO、Cr2O3、TiO2 称量称量 球磨球磨 干燥干燥 造粒造粒 干压干压烧结烧结 切片切片 电极电极 引线引线 装配装配 测试测试 94MgCr2O4-TiO2系系具有具有很高的很高的湿度活性湿度活性，湿度响应快湿度响应快，对温度、时间、，对温度、时间、湿度和电负荷的湿度和电负荷的，是很有应用前，是很有应用前途的途的湿敏传感器陶瓷材料湿敏传感器陶瓷材料，已用于，已用于。程序控制的微波炉，根据程序控制的微波炉，根据处于微波炉处于微波炉蒸汽排口处的蒸汽排口处的的相对湿度反馈的相对湿度反馈信息，调节烹调参数。信息，调节烹调参数。 95此外，目前比较常见的此外，目前比较常见的还有还有ZnCr2O4

42、为主晶相系为主晶相系半导体陶瓷半导体陶瓷，以，以及新研究的及新研究的。 96陶瓷湿度传感器结构陶瓷湿度传感器结构97Si-Na2O-V2O5系湿敏陶瓷是系湿敏陶瓷是，其主晶相是具有半导性，其主晶相是具有半导性的硅粉。的硅粉。烧结温度较低烧结温度较低(一般低于一般低于900)，烧结，烧结时时固相反应不完全固相反应不完全，烧结后收缩率很小烧结后收缩率很小。其阻值为其阻值为102-107 ，随相对湿度，随相对湿度以指数规以指数规律律变化，测量范围为变化，测量范围为(25100)RH。98Si-Na-V系湿敏陶瓷的系湿敏陶瓷的是由于是由于Na2O和和V2O5吸附水分，使吸湿后硅粉粒间的吸附水分，使吸湿

43、后硅粉粒间的电阻值显著降低。电阻值显著降低。这种元件的这种元件的是是温度稳定性较好温度稳定性较好，可在，可在100下工作，阻值范围可调，工作寿命长。下工作，阻值范围可调，工作寿命长。是是响应速度慢响应速度慢，有，有明显湿滞现象明显湿滞现象，不，不能用于能用于湿度变化不剧烈的场合湿度变化不剧烈的场合。99湿敏陶瓷的应用很广泛，主要湿敏陶瓷的应用很广泛，主要应用于应用于家电家电、汽车汽车、医疗医疗、工业设工业设备备、农、林、畜牧业农、林、畜牧业等领域。等领域。 100一般电阻器的电阻值可以认为是一个恒一般电阻器的电阻值可以认为是一个恒定值，即流过它的电流与施加电压成线性关定值，即流过它的电流与施加

44、电压成线性关系。系。压敏陶瓷是指压敏陶瓷是指，用这，用这种材料制成的电阻称为种材料制成的电阻称为。101制造制造有有SiC、ZnO、BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3等。等。其中其中BaTiO3、Fe2O3利用的是利用的是，而，而SiC、ZnO、SrTiO3利用的是利用的是。目前，应用最广、性能最好的是目前，应用最广、性能最好的是。 102 压敏电阻陶瓷具有压敏电阻陶瓷具有，对，对电压变化非常敏感。电压变化非常敏感。在在某一临界电压某一临界电压以下，压敏电阻陶瓷电以下，压敏电阻陶瓷电阻值非常高，几乎没有电流；但当阻值非常高，几乎没有电流；但当超过这一超过这一临界电压时临界电压时，

45、电阻将急剧变化，并且有电流，电阻将急剧变化，并且有电流通过。随着电压的少许增加，电流会很快增通过。随着电压的少许增加，电流会很快增大。大。压敏电阻陶瓷的这种电流压敏电阻陶瓷的这种电流-电压特性曲线电压特性曲线如图所示。如图所示。 1031.齐钠二极管；齐钠二极管；2.SiC压敏电阻；压敏电阻；3.ZnO压敏电阻；压敏电阻；4.线性电阻；线性电阻；5.ZnO压敏电阻。压敏电阻。 压敏电阻的压敏电阻的I-U特性曲线特性曲线104由图可见，压敏电阻陶瓷的由图可见，压敏电阻陶瓷的，其电阻值，其电阻值在一定电流范围在一定电流范围内内呈非线性变化。呈非线性变化。因此，因此，又称又称，用，用这种陶瓷制造的器

46、件叫这种陶瓷制造的器件叫。 105ZnO系压敏电阻陶瓷是压敏电阻陶瓷中系压敏电阻陶瓷是压敏电阻陶瓷中。成分是成分是ZnO，并添加并添加Bi2O3、CoO、MnO、Cr2O3、Sb2O3、TiO2、SiO2、PbO等等氧化物氧化物经改性烧结经改性烧结而成。而成。106ZnO压敏电阻器的应用很广，可归结压敏电阻器的应用很广，可归结为如下两方面：为如下两方面： 过压保护过压保护 稳定电压稳定电压107各种大型整流设备、电磁铁、电机、通各种大型整流设备、电磁铁、电机、通讯电路、民用设备讯电路、民用设备在开关时在开关时，会引起很高的会引起很高的过电压过电压，故在电路中接入，故在电路中接入可以抑制可以抑制

47、过电压，以延长使用寿命。雷击时产生超过过电压，以延长使用寿命。雷击时产生超过电压，压敏电阻电阻急剧降低，可引电流入电压，压敏电阻电阻急剧降低，可引电流入地，保护其它设施。地，保护其它设施。此外，此外，还可作还可作晶体管保护晶体管保护、变变压器次级电路的半导体器件的保护压器次级电路的半导体器件的保护以及以及大气大气过电压保护过电压保护等。等。 108由于由于具有具有优异的非线性优异的非线性和短的响应时间，且温度系数小、压敏电压和短的响应时间，且温度系数小、压敏电压的稳定度高的稳定度高，故，故得以应用。得以应用。可用于彩色电视接收机、卫可用于彩色电视接收机、卫星地面站星地面站彩色监视器彩色监视器及

48、电子计算机末端及电子计算机末端数字数字显示装置中显示装置中稳定显像管阳极高压，以提高图稳定显像管阳极高压，以提高图像质量等。像质量等。 109光敏陶瓷也称光敏陶瓷也称，属，属半导体陶半导体陶瓷瓷。由于材料的由于材料的不同以及不同以及的差异，它的差异，它在光的照射下在光的照射下吸收光能，产生吸收光能，产生不同的光电效应：不同的光电效应：和和。110利用利用来制造来制造光敏电阻光敏电阻，可，可用于各种用于各种自动控制系统自动控制系统；利用利用则可制造则可制造光电池光电池或或称太阳能电池，为人类提供了新能源。称太阳能电池，为人类提供了新能源。 111当光线照射到半导体时，当光线照射到半导体时，在光子作在光子作用下用下产生的产生的使电导增加的现使电导增加的现象，称为象，